定向鉆進技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

張軍

定向鉆井就是使井身沿著預(yù)先設(shè)計的井斜和方位鉆達目的層的鉆井方法。該文著重介紹了水平井鉆井中的重點技術(shù)。

定向鉆進技術(shù)的發(fā)展背景。地質(zhì)勘探的一般方法：區(qū)域地質(zhì)調(diào)查——物探與化探——普查勘探——布置勘探網(wǎng)進行詳細勘探與開發(fā)——定點取樣，提交儲量報告?？碧介_發(fā)的常規(guī)方法：根據(jù)地質(zhì)或設(shè)計部門的要求——設(shè)計井眼位置、深度、軌跡形式，一般是各種類型的直線井（垂直井居多）——進行鉆井技術(shù)方案設(shè)計——提出井眼彎曲等技術(shù)要求——采取防斜、保直措施保證井眼達到勘探要求。 我國70～80年代對普查井的規(guī)范：孔斜<1.5?～2.0?/100m。這也是根據(jù)當(dāng)時的鉆井技術(shù)水平而制定的。其精度到底如何？能否滿足現(xiàn)代鉆探與鉆井的要求？70～80年代，隨著我國的改革開放政策，機械、電子、測試、材料加工等技術(shù)的發(fā)展，研究、引進和開發(fā)受控定向鉆進技術(shù)取得了巨大的進展，利用地層自然彎曲規(guī)律鉆孔和采用人工強制手段改變井眼軌跡在此基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來，鉆探與鉆井工程由過去的被動防斜轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥厝藶榭刂?，實現(xiàn)了鉆探史上的一次飛躍。

我國定向鉆進技術(shù)的發(fā)展。我國定向鉆進始于50年代。1956年，玉門油田鉆成第一口定向井。1977～1982年，全國共完成定向井316口，平均井深2478.9m?！鞍宋濉逼陂g，重點攻關(guān)“石油水平井鉆井成套技術(shù)研究”，到1997年鉆成長、中、短半徑三類水平井共153口，掌握了水平井井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計方法，建立了水平井下部鉆拄大撓度受力分析模型，以及水平井井眼軌跡預(yù)測模型，定向鉆進技術(shù)總體上達到了90年代國際先進水平。

關(guān)于“靶區(qū)”與“靶點”的含義。為了控制定向井軸線到達預(yù)定目標時偏離不大，在定向井設(shè)計時，對預(yù)定目標事先規(guī)定了一定的范圍，該范圍是井眼軸線到達預(yù)定目標時的允許偏差區(qū)域，稱為靶區(qū)。

靶區(qū)的形狀和大小可以是以靶點為圓心的一定半徑的圓或圓筒，也可以是以靶點為中心，離靶心一定偏線距和沿線距的距形或正方形。目的層急傾時，靶區(qū)還可給定在垂直面或目的層傾斜面上。

預(yù)定的目標為靶點，一般為靶區(qū)的中心。井孔軸線鉆到預(yù)定靶區(qū)稱為“中靶”，反之則稱之為“脫靶”。

定向鉆井在水平井實際中的應(yīng)用

水平井概述及軌跡控制。水平井是最大井斜角保持在90°左右，并在目的層中維持一定長度的水平井段的特殊井。水平井鉆井技術(shù)是常規(guī)定向井鉆井技術(shù)的延伸和發(fā)展。

水平井的突出特點是井眼穿過油層的長度長，所以油井的單井產(chǎn)量高；水平井的應(yīng)用；天然垂直裂縫；水錐和氣錐；低滲透地層；薄油層；溶解采礦；重油產(chǎn)層；不規(guī)則地層：油層互不關(guān)聯(lián)、位置難以確定、垂直井難以鉆到；擴大邊界控制面積；層狀油層。

水平井的軌跡控制要求高，難度大；水平井的目標是一扁平的立方體，不僅要求井眼準確進入窗口，而且要求井眼方位與靶區(qū)軸線一致，俗稱“矢量中靶”。

“兩個不確定性因素”：一是目標垂深預(yù)測有一定的誤差；二是造斜工具的造斜率的不確定性。對直井和普通定向井不會有很大的影響，但水平井可能導(dǎo)致脫靶。

巖屑攜帶及完井電測中的困難。容易形成“巖屑床”。特別是在井斜角為45?～60?的井段，“巖屑床”沿井壁下側(cè)下滑，形成堆積，堵塞井眼。

要求精心設(shè)計鉆井液參數(shù)和水力參數(shù)。

儀器不可能依靠自重滑到井底。鉆進中用鉆柱送入儀器。射孔測試用油管送入，完井電測是裸眼，儀器難以送入。主要特點：①簡化了井身結(jié)構(gòu)，減少了套管層次，提高鉆井速度，降低鉆井成本②小井眼代替了大井眼，定向造斜和轉(zhuǎn)盤增斜機械鉆速提高③定向造斜時，排量相對較大，便于攜巖，保證了施工安全，得到大面積推廣應(yīng)用。

水平控制的技術(shù)要點和動態(tài)監(jiān)控：

鉆具穩(wěn)平?！般@具穩(wěn)平”的含意是從鉆具組合設(shè)計和選型方面來提高和加強穩(wěn)平能力。

上下調(diào)整?！吧舷抡{(diào)整”主要表現(xiàn)為對鉆頭鉛垂位置和井斜角（增降）的調(diào)整。在水平控制中，要求鉆具組合有一定的糾斜能力。

多開轉(zhuǎn)盤。開轉(zhuǎn)盤的導(dǎo)向鉆進可以：減少摩阻，易加鉆壓；破壞巖屑床，清潔井眼；提高機械鉆速；增加水平段的鉆進長度。一般，水平段開轉(zhuǎn)盤的進尺應(yīng)不小于水平段總進尺的75%。但轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速應(yīng)不大于60r/min為宜。

注意短起。 為保證井壁質(zhì)量，減少摩阻和避免發(fā)生井下復(fù)雜情況，在水平段中每鉆進一段距離（ 如 50m左右，尤其是對定向糾斜井段），應(yīng)進行一次短程起下鉆。

動態(tài)監(jiān)控。對已鉆井段進行計算，并和設(shè)計軌道進行對比和偏差認定；對鉆具組合的穩(wěn)平能力（導(dǎo)向狀態(tài)）和糾斜能力（定向狀態(tài)）進行過后分析和評價；鉆頭位置距上、下、左、右4個邊界的距離；待鉆井眼設(shè)計計算與分析調(diào)整。留有余地

水平控制的實鉆井眼軌道在豎直平面中是一條上、下起伏的波浪線，當(dāng)鉆頭到達邊界較近的一點D1時，由D1至D2繼續(xù)下降，直至D2開始轉(zhuǎn)折，如果不考慮這種滯后現(xiàn)象，很有可能造成井段出靶?！傲粲杏嗟亍本褪欠治鲇嬎氵@種滯后帶來的增量，保證在轉(zhuǎn)折點也不出靶。

水平井鉆進過程中的動態(tài)監(jiān)控在定向鉆井過程中最重要的就是對井底的實時監(jiān)測。這就要使用較好的隨鉆測量工具。

隨鉆測量定向（MWD）是定向鉆進先進的技術(shù)手段，可以不間斷定向鉆進而測量孔底信息，并將信息傳送到地表。隨著技術(shù)的進步，現(xiàn)代隨鉆測量已發(fā)展為隨鉆測井（Logging While Drilling），簡稱LWD，不僅可以監(jiān)控定向鉆進，還可以進行綜合測井，獲取信息的種類有：定向數(shù)據(jù)（井斜角，方位角，工具面角）；地層特性（伽馬射線，電阻率測井記錄）；鉆井參數(shù)（井底鉆壓，扭矩，每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)）。

隨鉆測量中，傳感器是裝在作為下部鉆具組合整體的 一部分的特殊井下儀器中。

定向鉆井技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并在石油行業(yè)中占據(jù)了較高的地位。它的出現(xiàn)解決了以往很多較復(fù)雜油藏開采困難的問題，提高了油田的開發(fā)效率，水平井的成功應(yīng)用也提高了油田的采收率。依靠現(xiàn)有的條件，改善目前的鉆具，合理的使用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，能大大加強定向鉆井的命中率，也為定向鉆井的進一步推廣應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

（作者單位：中國石油長城鉆探工程有限公司國際業(yè)務(wù)保障部蘇南項目部）